Batterie au plomb
PlatesEdit
La cellule au plomb peut être démontrée en utilisant des plaques de plomb en feuille pour les deux électrodes. Cependant, une telle construction ne produit qu’environ un ampère pour des plaques à peu près de la taille d’une carte postale, et pendant seulement quelques minutes.
Gaston Planté a trouvé un moyen de fournir une surface effective beaucoup plus grande. Dans la conception de Planté, les plaques positives et négatives étaient formées de deux spirales de feuilles de plomb, séparées par une feuille de tissu et enroulées. Les cellules avaient initialement une faible capacité, de sorte qu’un lent processus de « formation » était nécessaire pour corroder les feuilles de plomb, créant du dioxyde de plomb sur les plaques et les rendant rugueuses pour augmenter la surface. Au départ, ce processus utilisait l’électricité des batteries primaires ; lorsque des générateurs sont devenus disponibles après 1870, le coût de production des batteries a considérablement diminué. Les plaques Planté sont encore utilisées dans certaines applications stationnaires, où les plaques sont mécaniquement rainurées pour augmenter leur surface.
En 1880, Camille Alphonse Faure a breveté une méthode consistant à recouvrir une grille de plomb (qui sert de conducteur de courant) d’une pâte d’oxydes de plomb, d’acide sulfurique et d’eau, suivie d’une phase de durcissement au cours de laquelle les plaques étaient exposées à une chaleur douce dans un environnement très humide. Le processus de durcissement a transformé la pâte en un mélange de sulfates de plomb qui ont adhéré à la plaque de plomb. Ensuite, pendant la charge initiale de la batterie (appelée « formation »), la pâte durcie sur les plaques était convertie en matériau électrochimiquement actif (la « masse active »). Le procédé de Faure a permis de réduire considérablement le temps et le coût de fabrication des accumulateurs au plomb et d’augmenter considérablement leur capacité par rapport à l’accumulateur de Planté. La méthode de Faure est toujours utilisée aujourd’hui, avec seulement des améliorations progressives de la composition de la pâte, du durcissement (qui se fait toujours à la vapeur, mais qui est maintenant un processus très étroitement contrôlé), et de la structure et de la composition de la grille sur laquelle la pâte est appliquée.
La grille développée par Faure était en plomb pur avec des tiges de connexion en plomb à angle droit. En revanche, les grilles actuelles sont structurées pour une meilleure résistance mécanique et une meilleure circulation du courant. Outre des motifs de grille différents (idéalement, tous les points de la plaque sont équidistants du conducteur électrique), les procédés modernes appliquent également un ou deux minces tapis de fibre de verre sur la grille afin de répartir le poids de manière plus uniforme. Alors que Faure avait utilisé du plomb pur pour ses grilles, en l’espace d’un an (1881), ces dernières ont été remplacées par des alliages plomb-antimoine (8-12%) pour donner aux structures une rigidité supplémentaire. Cependant, les grilles à forte teneur en antimoine présentent un dégagement d’hydrogène plus important (qui s’accélère également avec le vieillissement de la batterie), et donc un dégazage plus important et des coûts de maintenance plus élevés. Ces problèmes ont été identifiés par U. B. Thomas et W. E. Haring aux Bell Labs dans les années 1930 et ont finalement conduit au développement d’alliages de grille plomb-calcium en 1935 pour les batteries d’alimentation de secours du réseau téléphonique américain. Des recherches connexes ont conduit au développement d’alliages de grille en plomb-sélénium en Europe quelques années plus tard. Les alliages pour grilles plomb-calcium et plomb-sélénium contiennent toujours de l’antimoine, mais en quantités beaucoup plus faibles que les anciennes grilles à forte teneur en antimoine : les grilles plomb-calcium contiennent 4 à 6 % d’antimoine, tandis que les grilles plomb-sélénium en contiennent 1 à 2 %. Ces améliorations métallurgiques confèrent à la grille une plus grande solidité, ce qui lui permet de supporter plus de poids, c’est-à-dire plus de matière active, et donc d’avoir des plaques plus épaisses, ce qui contribue à son tour à la durée de vie de la batterie puisqu’il y a plus de matière disponible à éliminer avant que la batterie ne devienne inutilisable. Les grilles en alliage à haute teneur en antimoine sont toujours utilisées dans les batteries destinées à des cycles fréquents, par exemple dans les applications de démarrage de moteur où la dilatation/contraction fréquente des plaques doit être compensée, mais où le dégazage n’est pas significatif puisque les courants de charge restent faibles. Depuis les années 1950, les batteries conçues pour des applications à cycles peu fréquents (par exemple, les batteries d’alimentation de secours) ont de plus en plus de grilles en alliage plomb-calcium ou plomb-sélénium, car elles dégagent moins d’hydrogène et nécessitent donc moins d’entretien. Les grilles en alliage plomb-calcium sont moins chères à fabriquer (les cellules ont donc des coûts initiaux plus faibles), et ont un taux d’autodécharge plus faible, et des besoins d’arrosage plus faibles, mais ont une conductivité légèrement moins bonne, sont mécaniquement plus faibles (et nécessitent donc plus d’antimoine pour compenser), et sont plus fortement soumises à la corrosion (et donc une durée de vie plus courte) que les cellules avec des grilles en alliage plomb-sélénium.
L’effet de circuit ouvert est une perte dramatique de la durée de vie du cycle de la batterie qui a été observée lorsque le calcium a été substitué à l’antimoine. Il est également connu sous le nom d’effet sans antimoine.
La pâte moderne contient du noir de carbone, du blanc fixe (sulfate de baryum) et du lignosulfonate. Le blanc fixe agit comme un cristal d’ensemencement pour la réaction du sulfate de plomb en plomb. Pour être efficace, le blanc fixe doit être entièrement dispersé dans la pâte. Le lignosulfonate empêche la plaque négative de former une masse solide pendant le cycle de décharge, mais permet la formation de longues dendrites en forme d’aiguille. Les longs cristaux ont une plus grande surface et sont facilement reconvertis à l’état d’origine lors de la charge. Le noir de carbone contrebalance l’effet d’inhibition de la formation causé par les lignosulfonates. Le dispersant de condensat de naphtalène sulfoné est un expanseur plus efficace que le lignosulfonate et accélère la formation. Ce dispersant améliore la dispersion du sulfate de baryum dans la pâte, réduit le temps d’hydratation, produit une plaque plus résistante à la rupture, réduit les fines particules de plomb et améliore ainsi les caractéristiques de manipulation et de collage. Il prolonge la durée de vie des batteries en augmentant la tension de fin de charge. Le naphtalène sulfoné nécessite environ un tiers à la moitié de la quantité de lignosulfonate et est stable à des températures plus élevées.
Une fois sèches, les plaques sont empilées avec des séparateurs appropriés et insérées dans un conteneur de cellule. Les plaques alternées constituent alors des électrodes positives et négatives alternées et, à l’intérieur de la cellule, sont ensuite connectées les unes aux autres (négatif à négatif, positif à positif) en parallèle. Les séparateurs empêchent les plaques de se toucher, ce qui constituerait sinon un court-circuit. Dans les piles à électrolyte liquide et à gel, les séparateurs sont des rails ou des plots isolants, autrefois en verre ou en céramique, aujourd’hui en plastique. Dans les piles AGM, le séparateur est le tapis de verre lui-même, et le rack de plaques avec les séparateurs est pressé ensemble avant d’être inséré dans la pile ; une fois dans la pile, les tapis de verre se dilatent légèrement, ce qui bloque efficacement les plaques en place. Dans les batteries à cellules multiples, les cellules sont ensuite connectées les unes aux autres en série, soit par des connecteurs à travers les parois de la cellule, soit par un pont au-dessus des parois de la cellule. Toutes les connexions intra-cellules et inter-cellules sont faites du même alliage de plomb que celui utilisé dans les grilles. Ceci est nécessaire pour éviter la corrosion galvanique.
Les batteries à cycle profond ont une géométrie différente pour leurs électrodes positives. L’électrode positive n’est pas une plaque plate mais une rangée de cylindres ou de tubes en oxyde de plomb enfilés côte à côte, leur géométrie est donc dite tubulaire ou cylindrique. L’avantage est une plus grande surface de contact avec l’électrolyte, avec des courants de décharge et de charge plus élevés qu’une cellule à plaque plate de même volume et profondeur de charge. Les cellules à électrodes tubulaires ont une densité de puissance plus élevée que les cellules à plaque plate. De ce fait, les plaques à géométrie tubulaire/cylindrique sont particulièrement adaptées aux applications à courant élevé avec des limitations de poids ou d’espace, comme pour les chariots élévateurs à fourche ou pour le démarrage des moteurs diesel marins. Cependant, comme les tubes/cylindres contiennent moins de matière active dans le même volume, ils ont également une densité d’énergie plus faible que les cellules plates. Et, moins de matière active à l’électrode signifie également qu’elles ont moins de matière disponible pour se délester avant que la cellule ne devienne inutilisable. Les électrodes tubulaires/cylindriques sont également plus compliquées à fabriquer de manière uniforme, ce qui tend à les rendre plus chères que les cellules plates. Ces compromis limitent la gamme d’applications dans lesquelles les batteries tubulaires/cylindriques ont un sens à des situations où l’espace est insuffisant pour installer des unités plates de plus grande capacité (et donc plus grandes).
Environ 60 % du poids d’une batterie au plomb de type automobile évaluée à environ 60 A-h est constitué de plomb ou de pièces internes en plomb ; le reste est constitué d’électrolyte, de séparateurs et du boîtier. Par exemple, il y a environ 8,7 kg (19 lb) de plomb dans une batterie typique de 14,5 kg (32 lb).
SéparateursEdit
Les séparateurs entre les plaques positives et négatives empêchent le court-circuit par contact physique, principalement par le biais des dendrites ( » arborescence « ), mais aussi par le délestage de la matière active. Les séparateurs permettent au flux d’ions entre les plaques d’une cellule électrochimique de former un circuit fermé. Le bois, le caoutchouc, le matelas de fibres de verre, la cellulose et le plastique PVC ou polyéthylène ont été utilisés pour fabriquer des séparateurs. Le bois était le choix initial, mais il se détériore dans l’électrolyte acide. Les séparateurs en caoutchouc sont stables dans l’acide de la batterie et offrent des avantages électrochimiques précieux que les autres matériaux ne peuvent pas offrir.
Un séparateur efficace doit posséder un certain nombre de propriétés mécaniques ; telles que la perméabilité, la porosité, la distribution de la taille des pores, la surface spécifique, la conception et la résistance mécanique, la résistance électrique, la conductivité ionique et la compatibilité chimique avec l’électrolyte. En service, le séparateur doit avoir une bonne résistance aux acides et à l’oxydation. La surface du séparateur doit être un peu plus grande que la surface des plaques pour éviter les courts-circuits entre les plaques. Les séparateurs doivent rester stables dans la plage de température de fonctionnement de la batterie.
Matelas de verre absorbant (AGM)Edit
Dans la conception du tapis de verre absorbant, ou AGM pour faire court, les séparateurs entre les plaques sont remplacés par un tapis de fibres de verre imbibé d’électrolyte. Il y a seulement assez d’électrolyte dans le tapis pour le garder humide, et si la batterie est perforée, l’électrolyte ne s’écoulera pas du tapis. Le but principal du remplacement de l’électrolyte liquide dans une batterie noyée par un matelas de fibre de verre semi-saturé est d’augmenter substantiellement le transport de gaz à travers le séparateur ; l’hydrogène ou l’oxygène gazeux produit pendant la surcharge ou la charge (si le courant de charge est excessif) peut passer librement à travers le matelas de verre et réduire ou oxyder la plaque opposée respectivement. Dans une cellule noyée, les bulles de gaz flottent vers le haut de la batterie et sont perdues dans l’atmosphère. Ce mécanisme de recombinaison du gaz produit et l’avantage supplémentaire d’une cellule semi-saturée ne permettant pas de fuite substantielle d’électrolyte lors de la perforation physique du boîtier de la batterie permettent à la batterie d’être complètement scellée, ce qui la rend utile dans les dispositifs portables et autres rôles similaires. De plus, la batterie peut être installée dans n’importe quelle orientation, bien que si elle est installée à l’envers, alors l’acide peut être soufflé par l’évent de surpression.
Pour réduire le taux de perte d’eau, du calcium est allié aux plaques, cependant l’accumulation de gaz reste un problème lorsque la batterie est chargée ou déchargée profondément ou rapidement. Pour éviter la surpression du boîtier de la batterie, les batteries AGM comprennent une soupape de purge unidirectionnelle, et sont souvent connues sous le nom de conceptions » valve-regulated lead-acid « , ou VRLA.
Un autre avantage de la conception AGM est que l’électrolyte devient le matériau séparateur, et mécaniquement résistant. Cela permet à la pile de plaques d’être comprimée ensemble dans la coque de la batterie, ce qui augmente légèrement la densité d’énergie par rapport aux versions liquides ou à gel. Les batteries AGM présentent souvent un » renflement » caractéristique de leur coque lorsqu’elles sont construites dans des formes rectangulaires courantes, en raison de l’expansion des plaques positives.
Le tapis empêche également le mouvement vertical de l’électrolyte dans la batterie. Lorsqu’une cellule humide normale est stockée à l’état déchargé, les molécules d’acide les plus lourdes ont tendance à se déposer au fond de la batterie, ce qui entraîne une stratification de l’électrolyte. Lorsque la batterie est ensuite utilisée, la majorité du courant ne circule que dans cette zone, et le fond des plaques a tendance à s’user rapidement. C’est l’une des raisons pour lesquelles une batterie de voiture classique peut être ruinée si on la laisse stockée pendant une longue période, puis utilisée et rechargée. Le tapis empêche considérablement cette stratification, éliminant la nécessité de secouer périodiquement les batteries, de les faire bouillir ou de les soumettre à une « charge d’égalisation » pour mélanger l’électrolyte. La stratification fait également que les couches supérieures de la batterie deviennent presque entièrement de l’eau, qui peut geler par temps froid, les AGM sont nettement moins susceptibles d’être endommagées par une utilisation à basse température.
Alors que les cellules AGM ne permettent pas l’arrosage (typiquement, il est impossible d’ajouter de l’eau sans percer un trou dans la batterie), leur processus de recombinaison est fondamentalement limité par les processus chimiques habituels. L’hydrogène se diffuse même à travers le boîtier en plastique lui-même. Certains ont découvert qu’il est rentable d’ajouter de l’eau à une batterie AGM, mais cela doit être fait lentement pour permettre à l’eau de se mélanger par diffusion dans toute la batterie. Lorsqu’une batterie au plomb perd de l’eau, sa concentration en acide augmente, ce qui accroît considérablement le taux de corrosion des plaques. Les cellules AGM ont déjà une teneur élevée en acide pour tenter de réduire le taux de perte d’eau et d’augmenter la tension de veille, ce qui entraîne une durée de vie plus courte par rapport à une batterie plomb-antimoine inondée. Si la tension de circuit ouvert des cellules AGM est significativement plus élevée que 2,093 volts, ou 12,56 V pour une batterie de 12 V, alors elle a une teneur en acide plus élevée qu’une cellule inondée ; bien que cela soit normal pour une batterie AGM, ce n’est pas souhaitable pour une longue durée de vie.
Les cellules AGM qui sont intentionnellement ou accidentellement surchargées montreront une tension de circuit ouvert plus élevée en fonction de l’eau perdue (et de la concentration en acide augmentée). Un ampère-heure de surcharge électrolyse 0,335 gramme d’eau par cellule ; une partie de cet hydrogène et de cet oxygène libérés se recombinera, mais pas la totalité.
Electrolytes gélifiésModification
Au cours des années 1970, les chercheurs ont développé la version étanche ou batterie à gel, qui mélange un agent gélifiant à base de silice dans l’électrolyte (les batteries au plomb-acide à base de gel de silice utilisées dans les radios portables du début des années 1930 n’étaient pas totalement étanches). L’intérieur des cellules, auparavant liquide, est ainsi transformé en une pâte semi-rigide qui offre les mêmes avantages que les AGM. Ces conceptions sont encore moins sensibles à l’évaporation et sont souvent utilisées dans des situations où peu ou pas d’entretien périodique est possible. Les cellules de gel ont également des points de congélation plus bas et des points d’ébullition plus élevés que les électrolytes liquides utilisés dans les cellules humides conventionnelles et les AGM, ce qui permet de les utiliser dans des conditions extrêmes.
Le seul inconvénient de la conception de gel est que le gel empêche le mouvement rapide des ions dans l’électrolyte, ce qui réduit la mobilité des porteurs et donc la capacité de courant de surtension. Pour cette raison, les cellules de gel se trouvent le plus souvent dans des applications de stockage d’énergie comme les systèmes hors réseau.
« Sans entretien », « scellé » et « VRLA »(valve regulated lead acid)Edit
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